§ 132. Парокомпрессионные холодильные машины

В качестве рабочего тела (хладоагента) можно использовать влаж­ный пар какой-либо жидкости с температурой кипения, не превышаю­щей 0° С (при-атмосферном давлении). В этом случае холодильный цикл можно осуществить с изотермным подводом и отводом теплоты и тем 'самым приблизить его к обратному циклу Карно.

На рис. 152, а приведена схема такой компрессионной холодиль­ной машины, в которой осуществляется цикл с изотермным подводом теплоты и частично изотермным отводом теплоты.

Холодильный агент в виде влажного или сухого насыщенного пара при отрицательной температуре и давлении выше атмосферного (точ­ка /) из испарителя III поступает в компрессор //. После адиабатного

сжатия в компрессоре II (процесс 1-2 на рис. 152, б) температура пара становится выше температуры охлаждающей воды Т"_в, которая в рас- ■ сматриваемых условиях играет роль окружающей среды. Сжатый пар поступает в охладитель (конденсатор) IV, где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде при р = const происходит конденсация пара. Из sT-диаграммы (рис. 152, б) следует, что в том случае, если хладоагент, поступающий в конденсатор, является влажным паром, отвод теплоты (парообразования) будет происходить полностью в изотермных усло­виях. В более общем случае в охлаждающую воду в процессе 2-3-4 отводится не только теплота парообразования, но и теплота перегрева пара. В точке 4 пар полностью конденсируется. Далее в процессе 4:5,

протекающем при i = const, конденсат проходит через регулирующий Вентиль V, в котором дросселируется до давления испарения. (Необра­тимый процесс 4-5 изображен на йТ-диаграмме условно.) Процесс дрос­селирования в двухфазной области всегда протекает с понижением температуры. В испарителе 111 происходит процесс испарения 5-1 и хладоагент снова поступаете компрессор, после чего цикл повторяется.

Теплота от веществ, хранящихся в холодильной камере, передает-' ся к испарителю с помощью какого-либо незамерзающего жидкого теплоносителя, циркулирующего между камерой / и испарителем ///.

В конечном счете после завершения рассмотренного цикл» тепло- " та, отбираемая в холодильной камере при низкой температуре, вмес­те с теплотой, соответствующей работе, затрачиваемой на привод ком­прессора, при более высокой температуре' передается охлаждающей воде, проходящей через конденсатор.

Рассмотренная холодильная машина называется парокомпрессион- ной, так как сжатие пара осуществляется в ней с помощью компрессо­ра. ' . -

При использовании влажного пара -цикл, совершаемый в такой ма­шине, отличается от обратного цикла Карно только тем, что процесо расширения в парокомпрессионной машине протекает по необратимой адиабате 4-5 (рис. 152, б). Некоторое уменьшение холодопроизво- дител.ьности в парокомпрессионном цикле по сравнению с обратным циклом Карно как раз.и связано с необратимостью процесса дроссе­лирования и повышением энтропии в этом процессе.

Работа адиабатного сжатия хладоагента в компрессоре (пл. 1234b) Іц ~ i₂ — £_х. Теплота q₂, отведенная из холодильной камеры и затра­ченная на испарение хладоагента, на вГ-диаграмме соответствует пл. 51dc. Следовательно, холодильный коэффициент рассматриваемой 'парокомпрессионной машины

е_х = пл. Side/пл. 1234b = (г'і — г₆)/ (г₂ — г\). (717)

Таким образом, для повышения экономичности такой холодильной • машины необходимо стремиться к увеличению пл. 51dc на вГ-диаграм- - ме и уменьшению пл. 1234b. ~

Размер пл. 51do зависит от температуры 7_Х._К, которую требуется поддерживать в холодильной камере. Из соотношения (717) следует, что экономичность холодильной машины понижается по мере пони­жения Т_х.к, линии температур Тр = Тр и линии ' испарения 5-1. Пл. 1234b, в свою очередь, зависит от положения линии 2-3-4, которое связано с температурой охлаждающей воды (линия Гв = Гв). Эконо­мичность холодильной машины будет возрастать при понижении тем­пературы охлаждающей воды, так как при этом уменьшается работа 1ц, затрачиваемая на сжатие хладоагента в компрессоре.

Повышение экономичности установки может быть достигнуто пу­тем переохлаждения хладоагента на выходе из конденсатора. Пере­охлаждение можңр получить в специальном теплообменникё-переохла- дителе или в .самом конденсаторе. В случае переохлаждения площадь, соответствующая количеству теплоты q₂, увеличится, достигнув

; пл. 5'ldc'^J. На вГ-диаграмме процессГпереохлаждения 4-4' практически . совпадает g нижней пограничной кривой.

; Увеличивая глубину дросселирования путем' прикрытия регули­рующего вентиля, можно понизить температуру хладоагента перед [ .испарителем (см. процесс 5"-1'- на рис. 152,6) и, следовательно, тем- ' пературу в холодильной камере. Приоткрывая вентиль, добиваются повышения температуры Т_х-К.

В рассматриваемой холодильной машине в отличие от газовой : вместо детандера применяется дросселирующий вентиль. Это позво­ляет существенно упростить конструкцию. С другой стороны, нсполь-

_L зование детандера вместо вентиля привело бы к замене необратимого процесса дросселирования 4-5 процессом адиабатного расширения 4-5 в детандере и повышению экономичности холодильной машины за ,счет > увеличения д_г до значения, определяемого пл. 5"'ldo", и уменьшения затрачиваемой работы на величину работы детандера (пл. ~Ь45"'). Од­нако создание детандера на жидком (а не газообразном) рабочем теле представляет собой технически трудную задачу.

Расчеты показывают, что аарокомпрессионная холодильная маши­на при малом температурном перепаде термодинамически более совер- ■ шенна, чем газовая. При большом температурном перепаде более эко­номичной оказывается газовая холодильная машина. Парокомпрес- сионные машины обычно применяют для получения температур T_s.„ в пределах от 273 до 153 К. -

Расчет парокомпрессионного цикла удобно выполнять^ пользуясь ^-диаграммой с нанесенными на ней линиями i = const. Наряду g sT-диаграммой применяются также ip- или i lgp-диаграммы.' Так, в . помощью i lg р-диаграммы можно определить холодильный коэффи­циент е_х без вычисления площадей (рис. 153) в виде отношения

ё_х = afb = (i'j — i₆)l (г₂ — ij,

t: ' ' ' " ' ■ •

Хладоагенты для парокомпрессионных установок должны удов-' летворять определенным требованиям. Необходимо, чтобы в выбран- ном интервале температур цикла хладоагент мог существовать в сос­тоянии влажного пара. Давление насыщенных паров хладоагента в этом интервале температур не должно быть слишком низким или слишком высоким (нарушение этого требования привело бы к зна­чительному усложнению конструкции холодильной установки). Теп­лота парообразования хладоагента г при температуре Т₃ должна быть достаточно высокой. Последнее требование связано с тем, что коли­чество теплоты q.₂, отбираемое из охлаждаемого объема, зависит от разности энтропий Sj — s₆ (см. рис. 152,6), а разность s_x — s₆ тем больше, чем больше разность энтропий s₃ — s₄, при этом s₃ — s₄ = = rIT₃. Из этого соотношения видно, что при одном и том же расхо­де хладоагента холодопроизводительность цикла тем выше, чем боль­ше величина г,

_ Одним из лучших Хладоагентов является аммиак, используемый широко в промышленных Остановках. В бытовых холодильных уста­новках аммиак не применяется из-за токсичности и коррозионной ак­тивности. Широкое распространение в качестве хладоагентов получи­ли фторхлорпроизводные простейших предельных углеводородов. Они отличаются химической стойкостью, нетоксичны и не взаимодейст­вуют с материалом конструкции. Температура кипения этих жидко­стей изменяется в широких пределах.

Установки с такими низкокипящими -жидкостями по величине г_х мало уступают аммиачным, однако из-за малой теплоты парообразо­вания расход этих хладоагентов по сравнению с аммиаком значительно выше.

г